(57)【要約】      （修正有）【課題】熱間継目無製管用マンドレルバーの耐用寿命を、熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延であっても、確実に大幅に改善する。  【解決手段】表面に、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有するとともに表面の中心線平均粗さRaが0.05μm 以上5μm 以下である、厚みが5μm 以上50μm 以下である第１層と、この第１層の上に、10質量％以上80質量％以下の粒子状の酸化物系層状化合物と残部が硼酸のアルカリ金属塩又はアミン塩の１種以上とからなる厚みが10μm 以上500μm 以下である無機被膜からなる第２層とを備える熱間継目無製管用マンドレルバーである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する厚みが5〜50μｍである第１層と、該第１層の上に、10〜80質量％の粒子状の酸化物系層状化合物と残部が硼酸のアルカリ金属塩又はアミン塩の１種以上とからなる厚みが10〜500μmである無機被膜からなる第２層とを備えることを特徴とする熱間継目無製管用マンドレルバー。
【請求項２】
前記第1層の表面の中心線平均粗さRaは0.05〜5μｍである請求項１に記載された熱間継目無製管用マンドレルバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間継目無製管用マンドレルバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、継目無鋼管の製造工程で行われるマンドレルミルによる圧延では、マンドレルバーの表面と圧延される素管の内面との接触面は、極めて厳しいすべり摩擦状態にある。このため、マンドレルバーの表面には、摩耗、焼き付き、肌荒れさらにはヒートクラック等の欠陥が生じる。循環して使用されるマンドレルバーの表面状態が使用回数の増加に伴って劣化してくると、このマンドレルバーをライン外へ一旦搬出して表面手入れを行うこととなる。特に、継目無ステンレス鋼管の圧延ではマンドレルバーの表面手入れの頻度が高く、生産性を低下させる一因となっている。このため、マンドレルバーの耐用寿命を延長することによりこの表面手入れの頻度を低減する必要がある。
【０００３】
特許文献1には、マンドレルバーの表面における熱疲労亀裂の発生を低減するために、マンドレルバーにNbを適量添加することにより組織制御を行う発明が開示され、特許文献2には、Cu、AlさらにはZn等の金属又はそれらの合金をマンドレルバーの表面に溶融拡散させる発明が開示されている。
【０００４】
特許文献3には、マンドレルバーの表面を円周方向に研磨した後、中心線平均粗さRaが4.0〜12.0μm となるように軸方向へ仕上げ研磨を行ってマンドレルバーを表面処理する発明が開示されている。一方、特許文献4には、円周方向の中心線平均粗さRaが1.0〜4.0μm であるマンドレルバーが提案されている。
【０００５】
特許文献5には、ショットブラストを行ってから熱処理(焼き入れ及び焼き戻し)を行うことによりマンドレルバーの表面を調整する発明が開示されている。
さらに、特許文献6には、マンドレルバーの表面に錆を付与した後にスケールを生成させる方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６-57380号公報
【特許文献２】特開平６-339709号公報
【特許文献３】特開平４-284905号公報
【特許文献４】特開平８-164404号公報
【特許文献５】特開昭63-20105号公報
【特許文献６】特開平11-226614号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献1〜6により開示された発明は、マンドレルバーの延命効果をある程度得ることは可能であるものの、大幅な耐用寿命向上を図ることは困難であり、特に熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延では、マンドレルバーの延命効果は殆ど認められない。
【０００８】
特許文献1、2に記載された発明は、マンドレルバー自体にNb等の合金元素を添加することを要するため、新規に製作されるマンドレルバーには適用できるが、現在既に実操業に使用されているマンドレルバーには適用できない。
【０００９】
特許文献3により開示された発明では、中心線平均粗さRaが4.0〜12.0μm の表面粗さを与えるために表面の凸部の面圧が高まり過ぎ、圧延時に、この凸部を起点として焼付きが発生し易い。
【００１０】
一方、特許文献4により開示された発明では、潤滑剤の保持力が弱いために圧延時の摩擦抵抗が高くなり、使用環境の厳しいステンレス製管用のマンドレルバーに対しては殆ど延命効果が認められない。
【００１１】
特許文献5により開示された発明では、焼き入れ時のスケールが厚く生成されるためこのスケールが剥離し易い。
さらに、特許文献6により開示された発明では、錆及びスケールの相乗効果によって場合によってはスケール層が100μm 以上と極めて厚く生成してしまう。このため、この発明は、熱間圧延条件が緩い炭素鋼からなる継目無鋼管の圧延では効果が認められるものの、熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延では効果は認められない。
【００１２】
また、これらの発明において使用される潤滑剤は主に黒鉛系潤滑剤であり、これを、マンドレルミルによる圧延の直前にマンドレルバーの表面に噴霧している。しかし、これでは、潤滑剤を均一に塗布することが難しく、また噴霧されて形成された潤滑剤被膜のマンドレルバーへの密着性も安定しないため、特に熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延ではマノレルバーの損傷が多発してしまう。
【００１３】
本発明は、熱間継目無製管用マンドレルバーの耐用寿命を、熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延であっても、確実に大幅に改善することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、表面に、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する厚みが5μm 以上50μm 以下である第１層と、この第１層の上に、10質量％以上80質量％以下の粒子状の酸化物系層状化合物と残部が硼酸のアルカリ金属塩又はアミン塩の１種以上とからなる厚みが10μm 以上500μm 以下である無機被膜からなる第２層とを備えることを特徴とする熱間継目無製管用マンドレルバーである。
【００１５】
この本発明に係る熱間継目無製管用マンドレルバーでは、第1層の表面の中心線平均粗さRaが0.05μm 以上5μm 以下であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、熱間継目無製管用マンドレルバーの耐用寿命を、熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延であっても、確実に大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る熱間継目無製管用マンドレルバーを実施するための最良の形態を詳細に説明する。
[基礎的知見]
熱間継目無製管用マンドレルバー(以下単に「マンドレルバー」という)の耐用寿命を大幅に延長することができる本発明の基となる知見について簡単に説明する。
【００１８】
使用されるマンドレルバーが損傷する原因は、素管の内面との間における焼付き、及びマンドレルバーの表面の塑性流動による変形である。焼き付きは、マンドレルバーの表面における潤滑剤の性能（付着性や潤滑性等）が不足している場合に発生する。一方、塑性流動は、潤滑不足により激しい摩擦発熱による温度上昇に対してマンドレルバー本体の高温強度が不足している場合に発生する。
【００１９】
上述したように、従来、マンドレルバーの潤滑は、マンドレルミルによる圧延の直前に黒鉛系潤滑剤をマンドレルバーの表面に噴霧することによって確保しようとしてきたが、噴霧されて形成された黒鉛系潤滑剤の被膜のマンドレルバーへの密着性も安定しないため、特に熱間圧延条件が厳しいステンレス鋼からなる継目無鋼管の圧延ではマンドレルバーの焼き付きが多発してしまう。
【００２０】
これに対し、黒鉛系潤滑剤からなる被膜よりも優れた摩擦特性を示すマイカを含有する被膜を予めマンドレルバーの表面に成膜させておくことによって極めて優れた密着性及び潤滑性をともに確保することができ、マンドレルバーの寿命を著しく向上できる。しかし、マイカを含有する被膜をマンドレルバーの表面に安定して成膜するには、マンドレルバーの表面に適切な下地処理として、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する厚みが5μm 以上50μm 以下である第１層を形成しておくことが必要である。
【００２１】
さらに、この第1層の表面粗さをショット等により特定の範囲に定めれば、マンドレルバーのさらなる延命効果が得られる。
このように、本実施の形態では、マンドレルバーの表面に、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する厚みが5μm 以上50μm 以下である第１層と、この第１層の上に、10質量％以上80質量％以下の粒子状の酸化物系層状化合物と残部が硼酸のアルカリ金属塩又はアミン塩の１種以上とからなる厚みが10μm 以上500μm 以下である無機被膜からなる第２層とを形成する。そこで、以下、第1層及び第2層について順次説明する。
【００２２】
[第1層]
本実施の形態における素材となるマンドレルバーは、熱間継目無製管用として用いられるものであれば如何なるものであってもよく、特定の種類のものには限定されない。また、このマンドレルバーは、当然のことながら、新規に製作されるマンドレルバーであってもよいが、現在既に実操業に使用されているマンドレルバーであってもよい。既に使用されているマンドレルバーに対して適用する場合には、このマンドレルバーに適宜表面手入れを行っておくことが望ましい。
【００２３】
本実施の形態では、このマンドレルバーの表面に、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する厚みが5μm 以上50μm 以下である第1層を形成する。
本実施の形態では、上述したように、マイカを含有する被膜からなる第2層をマンドレルバーに成膜させることによって極めて優れた密着性及び潤滑性をともに確保する。しかし、無機被膜からなる第2層の密着性は、地金であるマンドレルバーの表面状態に大きく影響される。具体的には、マンドレルバーの表面が金属面であるとこの金属面の上に直接第2層を形成しても、この第2層と金属面との親和性が悪く、マンドレルバーの延命効果を得られる程度の十分な第2層の密着性を確保することはできない。
【００２４】
そこで、本実施の形態では、この第2層の密着性を十分に確保するために、マンドレルバーの表面にまず第1層として、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する酸化物被膜を形成する。酸化物被膜としては、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有するものであればよい。
【００２５】
この第1層を形成する手段は何ら限定を要さない。例えば、処理するマンドレルバー全体を熱処理炉に装入して加熱することや、処理するマンドレルバーの表面をバーナーや高周波加熱炉を用いて昇温すること、あるいは処理するマンドレルバーを製管ラインで予備使用すること等のいずれの方法によることが例示される。
【００２６】
また、この第1層の厚みが5μm 未満であると、圧延中に第2層との間における密着性を十分に確保することができず、マンドレルミルによる製管時に第2層が剥離し、所望の潤滑特性を確保できない。一方、第1層の厚みが50μm を超えると圧延中に第1層を起点とする層間剥離が発生してしまい、やはり所望の潤滑特性を確保できなくなる。そこで、本実施の形態では、第1層の厚みは5μm 以上50μm 以下と限定する。同様の観点から、第1層の厚みの下限は6μm であることが望ましく、上限は20μm であることが望ましい。
【００２７】
さらに、本実施の形態では、この第1層の表面の中心線平均粗さRaを0.05μm 以上5μm 以下とした。第1層の表面に中心線平均粗さRaが0.05μm 以上5μm 以下である凹凸を設けることによって、アンカリング効果が発揮され、第2層の第1層に対する密着力をより一層向上することができ、これにより、マンドレルバーのさらなる延命効果を図ることができる。
【００２８】
このような凹凸を第1層の表面に設ける手段は何ら限定を要さない。例えば、第1層の被膜を成膜する前に、地金であるマンドレルバーの表面にグラインダ加工やショット加工等を行うことや、第1層を成膜した後に第1層の表面にグラスピ−ニング等を行うことが例示される。
【００２９】
第1層の表面の中心線平均粗さRaが0.05μm未満であると、十分なアンカリング効果を得られない。一方、 第1層の表面の中心線平均粗さRaが5μm 超であると、マンドレルミルによる圧延の際に凸部の面圧が著しく上昇して第2層が損傷するため、マンドレルバーのさらなる延命効果を期待できなくなる。
本実施の形態における第1層は、以上のように構成される。
【００３０】
[第2層]
本実施の形態では、上述した第１層の上に、第2層として、10質量％以上80質量％以下の粒子状の酸化物系層状化合物と、残部が硼酸のアルカリ金属塩又はアミン塩の１種以上とからなる厚みが10μm 以上500μm 以下である無機被膜を形成する。
【００３１】
本実施の形態では、「粒子状の酸化物系層状化合物」として、潤滑特性に優れた物質であるマイカを用いた。本明細書におけるマイカとは、例えば天然または人工のマイカのいずれでもよい。具体的には、カリウム四珪素マイカ｛KMg2.5 (Si4 O10)F2 ｝、ナトリウム四珪素マイカ｛NaMg2.5(SiO4 O10）F2 ｝、天然金マイカ｛MKg3(AlSi2 1010)(OH)2 ｝が例示される。
【００３２】
このマイカを無機バインダー中に分散させてからマンドレルバーの表面に成膜するには、マイカと無機バインダーを含んだ液体をマンドレルバーの表面に塗布した後マンドレルバーを80℃以上150℃以下に加熱することによりバインダー中の水分を除去して付着性を向上させることが例示される。
【００３３】
また、これ以外の成膜法としては、予めマンドレルバーを80℃以上150℃以下に加熱した状態で、マイカと無機バインダーを含んだ液体をスプレ塗布又は刷毛塗布し、十分に乾燥することとしてもよい。
【００３４】
第2層におけるマイカの含有量が10質量％未満であると潤滑特性が不足し、焼き付きが発生する。一方、マイカの含有量が80質量％を超えると被膜の機械的強度が低下し、圧延中に被膜が剥離して焼き付きが発生する。そこで、第2層におけるマイカの含有量は10質量％以上80質量％以下と限定する。同様の観点から、マイカの含有量の下限は30質量％であることが望ましく、上限は70質量％であることが望ましい。
【００３５】
また、第2層の厚みが10μm 未満であると、圧延中に第2層の被膜が早期に摩滅してしまい十分な潤滑性を確保できない。一方、第2層の厚みが500μm を超えると、圧延中に第2層を起点として層間剥離が発生し、十分な潤滑性を確保できない。そこで、本実施の形態では、第2層の厚みは10μm 以上500μm以下と限定する。同様の観点から、第2層の厚みの下限は50μm であることが望ましく、上限は200μm であることが望ましい。
本実施の形態における第2層は、以上のように構成される。
上述した第1層及び第2層を備える本実施の形態のマンドレルバーは、以上のように構成される。
【００３６】
本実施の形態では、マイカを含有する被膜を第2層としてマンドレルバーに成膜させるため、極めて優れた密着性及び潤滑性をともに確保することができ、マンドレルバーの寿命を著しく向上できる。
【００３７】
また、本実施の形態では、マンドレルバーの表面に第1層として、Fe2O3、Fe3O4、FeO又はFeCr2O4の少なくとも１種類を含有する被膜を成膜するため、この上に成膜する第2層の密着力を十分に確保して第2層をマンドレルバーの表面に安定して成膜することができる。
【００３８】
さらに、本実施の形態では、第1層の表面粗さを例えばショットブラスト等を行うことによって中心線平均粗さRa：0.05μm 以上5μm 以下とするため、マンドレルバーのさらなる延命効果が得られる。
【実施例１】
【００３９】
JISに規定されるSKD6からなる、外径300mm、長さ24mmのマンドレルバーを準備し、表1に示す条件でマンドレルバーの表面に、第2層のみ、又は第1層及び第2層を形成した。そして、これらのマンドレルバーをマンドレルミルに適用して圧延素材に延伸圧延を行い、さらにサイザーを用いて定径圧延を行うことにより、13Cr鋼管を製造した。
【００４０】
そして、 マンドレルバーの損傷状況を目視にて調査し寿命を評価した。結果を表１にあわせて示す。
【００４１】
【表１】
2005349451.tif 000002
【００４２】
表1において、番号1〜7が本発明で規定する範囲を満足しない比較例であり、番号8〜11が本発明例である。
【００４３】
番号1は、第1層を形成しないために第2層の密着力が不足しており、5パスで圧延を継続することができなくなった。
番号2は、第1層の厚みが本発明で規定する範囲の下限を下回っているために第2層の密着力が不足しており、20パスで圧延を継続することができなくなった。
【００４４】
番号3は、第2層のマイカの含有量が本発明で規定する範囲の下限を下回っているために第2層の密着力が不足しており、21パスで圧延を継続することができなくなった。
番号4は、第2層のマイカの含有量が本発明で規定する範囲の上限を上回っているために第2層の機械的強度が不足し、第2層が剥離し焼き付きが発生し、10パスで圧延を継続することができなくなった。
【００４５】
番号5は、第2層の厚みが本発明で規定する範囲の下限を下回っているために第2層の潤滑性が不足し、21パスで圧延を継続することができなくなった。
番号6は、第2層の厚みが本発明で規定する範囲の上限を上回っているために第2層を起点として層間剥離が発生し、19パスで圧延を継続することができなくなった。
【００４６】
番号7は、第1層の厚みが本発明で規定する範囲の上限を上回っているために第1層を起点として層間剥離が発生し、26パスで圧延を継続することができなくなった。つまり、比較例の番号1〜7の圧延可能パス数の平均値は18パスであるのに対し、本発明例の番号8〜11の圧延可能パス数の平均値は約188パスであり、本発明で規定する事項を全て満足すれば、これを一つでも満足しない場合に比較して、10倍以上のマンドレルバーの圧延可能パス数という当業者の予想をはるかに超えた、極めて優れた耐用性が得られた。
このような効果は、本発明で規定する数値範囲とすることにより、第2層による断熱効果が有効に働き、圧延中にマンドレルバーの表面の温度上昇が著しく抑制されたために、マンドレルバ−の損傷が減少し、その寿命が著しく向上したものと思われる。